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编号:11039250
基质金属蛋白酶及金属蛋白酶组织抑制物与肺癌
http://www.100md.com 2006年4月1日 朱少伟 张晓膺
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     [关键词] 基质金属蛋白酶; 金属蛋白酶组织抑制物; 肺癌; 血管生成; 侵袭; 转移; 治疗

    目前在所有的肿瘤中,肺癌占死亡率之首,发生率居第二位,对人类健康和生命构成了重大的威胁。虽然近年已采用手术为主的治疗方法,但是全球范围内肺癌死亡率仍在增加,大多数病人都是死于肺癌的局部复发或远处转移，而肺癌的转移是一极其复杂的多步骤过程,包括侵袭,血液和(或)淋巴扩散,远处种植克隆和血管生成。肺癌的侵袭和转移主要涉及肺癌细胞的粘附,基质成分的降解,肺癌细胞通过降解的细胞外基质(extracellular matrix,ECM)迁移，而ECM成分的降解是肺癌细胞侵袭和转移的必要步骤，能降解ECM的蛋白酶有四种:丝氨酸蛋白酶(如尿激酶),半胱氨酸蛋白酶(如组织蛋白酶B),天门冬氨酸蛋白酶(如组织蛋白酶D),和基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinases,MMPs),其中MMPs是最重要的一种。MMPs能被多种物质调节,其中金属蛋白酶组织抑制物(tissue inhibitorsof metalloproteinase,TIMPs)为其天然抑制剂,在许多肿瘤中MMPs/TIMPs的平衡对维持ECM体内稳定十分重要。本综述主要阐述MMPs及TIMPs的结构与功能以及与肺癌的关系。

     1 MMPs和TIMPs的结构,分类和功能

    11 MMPs的结构,分类和功能

    MMPs是一组锌依赖性内肽酶,现在已发现约24种。它一般由信号肽、前肽、催化区、铰链区及血红素结合蛋白区组成。根据其区域结构可分为8组,如图1所示[1]。

    根据其底物不同可分为:胶原酶、明胶酶、间质溶解素、膜型(membrane type,MT)MMPs及其他。胶原酶1,2,3(MMP1,8,13)能降解Ⅰ~Ⅲ型及Ⅶ型纤维胶原,MMP19能降解Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ、Ⅹ型胶原、纤连蛋白(fibronectin,FN)、层粘连蛋白(laminin,LN)、弹力蛋白、明胶及蛋白多糖的核心蛋白,MMP1还能激活MMP2,9前体,间质溶解素1,2(MMP3,10)作用与MMP19相似,间质溶解素3(MMP11)能降解纤连蛋白、层粘连蛋白、胶原,MMP7能降解Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、纤连蛋白及蛋白多糖的核心蛋白,而且能处理细胞表面分子,如α防御素前体,Fas配体,TNFα前体及E钙粘连蛋白,而MMP26也能消化大量的ECM成分。明胶酶A、B(MMP2,9)主要降解明胶、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型基膜(basement membrane,BM)胶原。金属弹力酶(MMP12)能降解弹力蛋白,对于Ⅳ型胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白、玻连蛋白(Vitronection,VN)也有作用。MTMMPs共有6个成员,即MT1MMP(MMP14)、MT2MMP(MMP15)、MT3MMP(MMP16)、MT4MMP(MMP17)、MT5MMP(MMP24)、MT6MMP(MMP25),它们能激活MMP2前体,降解Ⅰ~Ⅲ型胶原、纤维连接、层粘连蛋白、纤维素、明胶及软骨蛋白多糖的核心蛋白,并且能够加工处理生长因子、生长因子结合蛋白、细胞表面蛋白等。另外MMPs还参与许多生物过程如胚胎形成、正常组织重构、伤口愈合和血管生成及一些疾病如哮喘、关节炎、肿瘤和组织溃疡中。

    12 TIMPs的结构,分类和功能

    TIMPs是MMPs的天然抑制剂,一般是21~34 kDa的蛋白,有12个保守的半胱氨酸残基形成6对二硫键,将TIMPs蛋白分子折叠成2个区域:①N末端的大三环,是抑制MMPs的主要活性部位;②C末端小三环结构,主要和酶原形成复合物。目前已确定TIMPs共有4个成员:TIMP1,2,3,4。TIMP1,2,4以溶解的形式存在,TIMP3则紧密结合到基质上。TIMP4主要位于成人脑、心脏,卵巢及骨骼肌中,对ECM重构的调节具有组织特异性,而TIMP1,2,3与MMPs1∶1形成非共价化合物来调节MMPs的活性,TIMP1能结合MMP9前体;TIMP2能结合MMP2前体、MTMMPs;TIMP3则能结合MMP2,9前体、MTMMPs,同时也能抑制去整合素及金属蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase,ADAM)家族成员的活性如ADAM17,10[2]。除了这些作用外,TIMPs还有促进细胞生长、激素合成、胚胎产生、抗凋亡、抗血管生成的活性。

    2 MMPs及TIMPs在肺癌过程中的意义

    21 MMPs,TIMPs与肺癌组织中血管生成

    肿瘤要生长超过其原来的大小,就需要有自己的血管以满足自己的代谢的需要,所以在肺癌发生的进程中,血管生成对其生长是十分重要的。MMPs和TIMPs在此过程中表现出不同的作用。MMP2,7,3,9能分解纤溶酶原产生内源性血管抑制剂——血管静止素(angiostatin),能特异性抑制内皮细胞增殖[3]。MMP12在形成肿瘤恶性细胞索中的过度表达能抑制肿瘤的生长和血管化。Fang等[7]研究证实MMPs能促进新生血管形成,而新生血管的形成可促进肿瘤病灶的三维扩散。Nakoman[5]等认为TIMPs能诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达,因此支持肿瘤血管的生长(TIMP1),肿瘤细胞的生存(TIMP2)和肿瘤的生长(TIMP4)。而Willian[4]等则认为TIMP1在肿瘤进程中可能表现为双重作用:既有效的抑制MMPs如MMP9和减弱血管生成,又有支持肿瘤细胞的生长或存活有害的影响。DongWan Seo[6]等认为TIMP2能在体外清除血管生长因子诱导的内皮细胞增殖,并且在体内不依赖MMPs抑制血管生成,这些效应需要α3β整合素介导的TIMP2结合至内皮细胞上,揭示体内TIMP2抗血管产生效应。

    22 MMPs及TIMPs与肺癌侵袭和转移

    MMPs主要由肿瘤细胞及其周围的基质细胞合成分泌,其中MMP7主要由肿瘤细胞合成,而其他的MMPs包括MMP2,3,9主要来源于基质细胞[5]。肺癌细胞从原发灶到转移灶至少经历以下过程:①从原发灶脱离;②局部生长浸润;③进入宿主血液和(或)淋巴循环;④出血管和(或)淋巴管进入靶器官间质;⑤在靶器官内增殖,肺癌细胞接触ECM结构,接着通过水解作用降解ECM,从破坏的区域转移,需要反复穿透BM,方能到达靶器官生长。ECM是组成间质与上皮、血管和(或)淋巴管之间的不溶性结构成分,主要由胶原蛋白(IXIX型)、弹力纤维及相关蛋白,非胶原蛋白(如FN、LN,VN等)、糖胺多糖和蛋白多糖组成,其中Ⅳ型胶原是BM的主要支架。对于肺癌细胞的侵袭和转移来说,ECM的破坏是必需的,明胶及胶原能被MMPs所降解,其中IV型胶原主要由MMP2,9降解。Nam Hoon Cho[8]等通过对IB期肺癌复发中MMPs表达模型的研究,认为肺癌细胞的侵袭行为和基质分解素的表达之间存在相关性,其中MMP10在IB期肺癌复发中起重要作用。D’Agostino[9]等认为一些MMPs(MMP1,2,9)的表达和TIMPs(TIMP1,2)的产量有关,特别是MMP1在肺中的持续表达和MMP9对于ECM成分重构,正常细胞和肺癌细胞的迁移十分重要。王新允[10]等认为MMP9和TIMP1在肿瘤的浸润转移中具有促进作用。ShunFa Yang[11]等认为MMPs受多种物质调节,TIMPs可以通过抑制MMPs的活性来阻止肿瘤的过程,但是有研究表明MMPs在肿瘤中被抑制并不能阻止肿瘤细胞迁移到胶原明胶中[5],仅使细胞移动类型转变为另一个更易“时常变形”的形式。TIMP2虽能抑制MMPs,但是它能选择性地作用于MT1MMP,从而在细胞表面激活MMP2前体,产生活性MMP2[12]。而RECK基因表达的蛋白可抑制MMP2活性及肺癌细胞的侵袭[13]。

    3 MMPs及TIMPs与肺癌的治疗

    MMPs/TIMPs的平衡维持着ECM的体内稳定,一旦比例失衡,极易导致肿瘤的复发与转移。通过对MMPs/TIMPs作用机制及功能的研究,目前已发现和合成了许多MMPs抑制剂,为肺癌的治疗开阔了前景,但临床二期实验结果都令人失望,新的药物正在研发中。为了控制肺癌的侵袭和扩散,主要要抑制ECM成分的降解,阻断肺癌细胞的血供。目前发现的内源性血管生成抑制剂主要有Endostatin,干扰素。人工合成的药物主要有:①抑制基质降解的药物:Marimastat(BB2516)，Prinomastat(AG3340)，BM275291，BAY1295666和Neovastat(AE941)等。②阻断内皮细胞信号(VEGF，rhuMAb VEGF，VEGFR)的药物:SU5416，SU6668，ZD6474，CP547,632;③酪氨酸抑制剂:CO358,774，PTK787/ZK225846及ZD4190。④新的药物能抑制血管内皮细胞,影响肿瘤血管形成:Thalidomide,Squalmine,Celecoxib,ZD6125,TNP470,整合素拮抗剂等。ShunChen Chu[14]等研究Silibinine发现其能降低A549肺癌细胞中MMP2及尿激酶型纤溶酶原激活物(Plasminogen activated urokinasetype,uPA)的产生来抑制肺癌细胞的侵袭。

     4 MMPs及TIMPs与肺癌预后

    对肺癌病人的病情能及时作出正确的评价,对于提高肺癌患者的生存率具有重大意义。目前MMPs及TIMPs在对肺癌预后的判断中表现出重大意义。在非小细胞肺癌(nonsmall cell lung cancer,NSCLC)病人中MMP9的过度表达及VEGF和MMP9共同表达均提示预后差。Sasaki[15]等已经推测出MMP7和转录因子Est1的mRNA水平可以用来推测肺癌的发展与侵袭。目前使用明胶酶(MMP2,9)及其抑制剂作为基质降解的标志在评估肺癌病人预后方面具有光明的前途。大量研究[16~24]表明MMPs/TIMPs在肺癌中的水平,可以作为评价和预测预后的标志。MMP12在肺癌中显著增加,且MMP12表达与疾病的复发和转移显著相关。MMP12不仅是一种预后标志,而且也是一种有价值的治疗方案[25]。STR3(基质溶解素3)可能可作为肺癌病人外周血中的预测标志。在NSCLC病人中TIMP1过度表达可作为独立的预测标志,而且TIMP1升高对于确定疾病复发的高危病人十分重要。

    5 问题与展望

    在众多的研究中,有关MMPs及TIMPs在肺癌中的作用机制未能阐述清楚,其作用机制比较复杂,需要进一步的研究。虽然对于MMPs,TIMPs的研究进入了分子水平阶段,在MMPs中对于MMP2,9,TIMP1,TIMP2的研究较多,但对于其他的MMPs,TIMPs的研究不是太多,我们仍需研究肺癌中其余MMPs,TIMPs的作用,例如MMP7,10,12,MT2MMP等。目前对肺癌的研究样本量都比较少,代表性不是很好,要使其具有良好的代表性,需扩大样本量。MMPs/TIMPs之间的关系在肺癌中显得很重要,虽然现在肺癌药物治疗方面的研究已取得一些进展,但是只有早期发现肺癌,正确评价肺癌的治疗效果及预后,加强对MMPs,TIMPs作用机制及其关系的研究,研发新药,才能为肺癌的诊治真正开阔前景,从而进一步改善肺癌生存率。

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    (苏州大学医学院附属第三医院心胸外科, 江苏 常州 213003)

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